W środku napędu dysku twardego można znaleźć sztywne, płaskie talerze (dyski), zwykle wykonane z aluminium lub szkła. Talerze dysków twardych, w odróżnieniu od talerzy dysków elastycznych, nie dają się ani wygiąć, ani odkształcać, stąd ich nazwa - dyski twarde. W większości napędów dysków twardych, talerzy tych nie można też wyjmować (wymieniać); dlatego IBM nazywa je napędami dysków stałych.


Budowa dysku twardego
Stosowana w dyskach sztywnych technika zapisu nie odbiega od tej, z jaką mamy do czynienia w magnetofonie czy w kartach telefonicznych, a także w dyskietkach. Wytwarzane przez elektromagnetyczną głowicę pole magnetyczne powoduje uporządkowanie domen magnetycznych w nośniku ferromagnetycznym o szerokiej pętli histerezy, a ruch tak zapisanego nośnika w pobliżu głowicy odczytującej powoduje w niej indukcję sygnału elektrycznego, odpowiadającego zapisanym danym. Współczesna technologia do odczytu danych używa, zamiast głowic indukcyjnych, półprzewodnikowych elementów magnetorezystywnych, umożliwiających zwiększenie zarówno odczytywalnej gęstości zapisu, jak i zwiększenie szybkości odczytu.
Dysk stały naszego PC to wirujący talerz lub zespół talerzy o powierzchni pokrytej nośnikiem magnetycznym, a odpowiednio ustawiane na tych powierzchniach głowice zapisują i odczytują dane. Głowice umieszczone są na przypominającym ramię gramofonu ramieniu pozycjonującym i dociskane do powierzchni dysku sprężynami, ale podczas obrotów dysku nie stykają się z nią - powstająca w wyniku szybkich obrotów talerzy poduszka powietrzna utrzymuje głowice nad powierzchnią. Rozwiązanie takie nazywane jest pływającymi głowicami i jak na razie jest bezkonkurencyjne i stosowane powszechnie, chociaż są już w toku prace nad innymi sposobami prowadzenia głowic. Głowice dysku są zamontowane na konstrukcji obrotowej, budzącej skojarzenie z ramieniem gramofonu. Słuszne optycznie skojarzenie nie jest jednak prawdziwe. Podczas gdy ramię gramofonu było prowadzone przez ścieżkę zapisu na płycie, to z ramieniem głowic dysku jest zupełnie inaczej - musi ono być ustawione tak, by głowice znalazły się nad odczytywaną właśnie ścieżką (czy raczej - na odczytywanym cylindrze). W pierwszych konstrukcjach dysków sztywnych pozycjonowanie głowic było realizowane przez mechanizm napędzany silnikiem krokowym (rozwiązanie takie jest do dziś stosowane w napędach dyskietek). W miarę wzrostu wymagań szybkościowych stosowano inne rozwiązania, spośród których optymalnym jak na razie okazało się voice coil, czyli układ magnetodynamiczny, wzorowany na stosowanym w głośnikach (stąd nazwa) - umieszczona w polu silnego magnesu stałego cewka porusza się zgodnie z przepływającym przez nią prądem, ustawiając w odpowiedniej pozycji związane z nią mechanicznie ramię głowic dysku. Technika ta pozwoliła na zmniejszenie czasu pozycjonowania głowic na zadanej ścieżce z kilkudziesięciu do kilku milisekund, a przy przejściach pomiędzy kolejnymi ścieżkami nawet poniżej jednej milisekundy.

Zapis na dysku dokonywany jest w formie koncentrycznych ścieżek, podzielonych na sektory. Dość tajemnicze pojęcie cylinder, występujące w opisie parametrów dysku i nie znajdujące bezpośredniego odbicia w jego konstrukcji, to grupa ścieżek o tym samym numerze na wszystkich powierzchniach roboczych. Liczba głowic odpowiada liczbie roboczych powierzchni talerzy dysku.Taki opis parametrów fizycznych dysku oraz wynikający z niego tryb adresowania stanowiły pierwotnie podstawę rozumienia zapisu na dysku przez wszystkie systemy operacyjne. Opis CHS (cylinder/head/sector) sprawdzał się bardzo dobrze w czasach, gdy całością procesu zapisu i odczytu danych zarządzała jednostka centralna przy współudziale dość prymitywnego sterownika. Nietrudno jednak zauważyć, że całkowita długość pierwszej, najbardziej zewnętrznej ścieżki jest znacznie większa od długości ostatniej, najbliższej osi talerza. Liniowa gęstość zapisu jest stała dla wszystkich ścieżek (po prostu - maksymalna), a przy stałej liczbie sektorów na każdej kolejnej ścieżce (licząc od ostatniej do pierwszej) marnowałaby się coraz większa ilość miejsca. Dlatego już od dość dawna stosuje się technikę MZR (Multiple Zone Recording), maksymalnie wykorzystującą dostępną powierzchnię talerzy - liczba sektorów w ostatnim cylindrze dysku, wynikająca z liniowej gęstości zapisu, pozostaje stała w kolejnych cylindrach do chwili, gdy ilość wolnego miejsca pozwoli na dodanie jednego sektora więcej. Na dysku powstają w ten sposób kolejne strefy, charakteryzujące się rosnącą liczbą sektorów w miarę zbliżania się do krawędzi talerza. W początkowym okresie stosowania MZR praktykowano technikę przeliczania geometrycznej lokalizacji danych na logiczne parametry systemu CHS. Wymagało to dość kłopotliwego, ręcznego wprowadzania parametrów przeliczeniowych konkretnych modeli dysków do pamięci konfiguracji systemu (tzw. Setup). Od problemu indywidualnych parametrów dysków uwolniły nas dopiero: z jednej strony rozwój interfejsu ATA, dzięki któremu system był w stanie samodzielnie odczytać z dysku i przyjąć do wiadomości przeliczeniowe parametry, z drugiej zaś - wprowadzenie BIOS-u funkcji obsługi trybu LBA (Logical Block Addressing), uniezależniającego adresowanie danych na dysku od ich fizycznej lokalizacji na nim.

Parametry
Podstawowe parametry dysku sztywnego są takie same, jak dla każdego innego rodzaju pamięci. Jest to pojemność, czas dostępu do danych oraz szybkość ich odczytu i zapisu. Do parametrów podstawowych dochodzi szereg parametrów i informacji szczegółowych, pozwalających na precyzyjne określenie zarówno przeznaczenia dysku, jak i jego zachowania w konkretnych warunkach eksploatacji. Podstawowym handlowym, najbardziej eksponowanym parametrem dysku jest, poza pojemnością, czas dostępu do danych. Czas dostępu to czas pozycjonowania głowic plus średnio pół obrotu dysku (bo zawsze jest możliwa sytuacja, gdy poszukiwany sektor znalazł się pod głowicą, zanim była gotowa do odczytu), zatem na czas dostępu wpływa zarówno sprawność mechanizmu pozycjonowania głowic, jak i prędkość obrotowa dysku. Typowy średni czas pozycjonowania głowic to 3-6 ms, a pół obrotu dysku, wykonującego np. 7200 obr./min to około 4 ms - razem, dodając jeszcze czas przełączania głowic, uzyskujemy 8-11ms.

Czas dostępu
Czas dostępu oznacza ile jednostek (Ms) potrzebuje dysk na pobranie danych. Czas mierzony jest od momentu wydania przez interfejs polecenia odczytu danych.Wartość średniego czasu dostępu jest sumą średniego czasu wyszukiwania (Average Seek Time, czyli czasu potrzebnego na ustawienie głowicy w odpowiednim miejscu nad talerzem twardego dysku) oraz średniego czasu opóźnienia (Average Latency Time - czasu potrzebnego sektorowi do znalezienia się pod odpowiednią głowicą). Czas dostępu jest szczególnie ważny w obsłudze baz danych, gdzie występuje często bezpośrednie adresowanie danych plikowych. Ale użytkowo najważniejszym z parametrów dysku jest tzw. transfer wewnętrzny, czyli szybkość bezpośredniego odczytu i zapisu danych. Dlaczego najważniejszym? Rozważmy następujący, bardzo uproszczony, przykład: zadanie polegające na odczytaniu 20 plików po 100 kB każdy w przypadku dwu dysków: jednego o średnim czasie dostępu 10 ms i transferze wewnętrznym 2 MB/s, drugiego o czasie dostępu 7,5 ms (o 25% szybciej!) i transferze wewnętrznym 1,8 MB/s (o zaledwie 10%). Pierwszy z dysków jest w stanie wykonać zadanie w czasie 1200 ms, drugi z nich potrzebuje na to samo zadanie 1261 ms, o przeszło 5% więcej. A ponieważ najbardziej eksponowanym z parametrów jest czas dostępu, ten drugi dysk będzie na pewno sporo droższy, pomimo gorszej wydajności. Transfer wewnętrzny jest stosunkowo rzadko podawany, natomiast dla zwiększenia zamieszania, a także w celu oszołomienia klienta wielkimi liczbami, mocno eksponowanym parametrem dysku jest zwykle szybkość interfejsu, której wpływ na rzeczywistą wydajność systemu jest obecnie marginalny. Odwołując się do naszego przykładu - do przetransmitowania 2 MB danych interfejs SCSI-2 o przepustowości 20 MB/s potrzebuje 100 ms, interfejs Ultra ATA-66 zaledwie 33 ms, ale w obu przypadkach czas transmisji przez interfejs i tak zawarty jest w ogólnym czasie operacji i praktycznie nie ma wpływu na końcowy rezultat.

Szybkość obrotowa
Szybkość obrotowa dysku twardego to parametr często wykorzystywany przez producentów i dystrybutorów w celach marketingowych. Tymczasem pomyślmy, jakie znaczenie ma on dla użytkownika? Sama szybkość obrotowa dysku jeszcze o niczym nie świadczy. Dopiero w połączeniu z gęstością zapisu możemy mówić o użytkowych walorach tego parametru dysku.

Wewnętrzna szybkość przesyłania danych
Informuje o ilości danych, jaka może zostać na twardym dysku zapisana lub odczytana z dysku w ciągu sekundy. Jest to wartość teoretyczna, niezależna od systemu operacyjnego oraz wszelkich właściwości komputera, określająca wydajność wewnętrzną dysku. Mierzona jest ona dla sektorów znajdujących się miedzy krawędzią płyty, a jej środkiem, jako że w zewnętrznej części płyty znajduje się więcej sektorów aniżeli w części bliższej środka.

Szybkość przesyłania danych
Średnia szybkość przesyłania danych oznacza ilość danych przesyłanych w ciągu sekundy przez twardy dysk. Wartość średnia jest ustalana podczas co najmniej dwóch testów, w jednym z nich odczytywane są wszystkie ścieżki twardego dysku po kolei, a w drugim - według przypadkowej kolejności. Szybkość przesyłania danych zależy również od innych charakterystyk dysku, takich jak wewnętrzna szybkość przesyłania danych, szybkość przesyłania danych przez interfejs oraz średni czas dostępu.

MTBF - średni czas międzyuszkodzeniowy
Średni czas międzyuszkodzeniowy (Mean Time Between Failures) to podstawowy parametr niezawodności wszystkich urządzeń. Oferowany przez większość współczesnych dysków współczynnik MTBF wynoszący 500 000 godzin lub więcej imponuje wielkością, zwłaszcza gdy po przeliczeniu dowiemy się, że pół miliona godzin to około 60 lat ciągłej pracy. Ale czy to naprawdę wysoka niezawodność? Pamiętajmy, że jest to czas średni, określony na podstawie analizy statystycznej wyników testów, a dotyczy całej serii danego modelu dysku.

Interfejs
Na pierwszy rzut oka wydawać by się mogło, że w konstrukcji PC używane są obecnie dwa typy interfejsów dyskowych: Ultra ATA i SCSI. Ale po przejrzeniu kilku katalogów sprzętowych opinia ulega zmianie, a w gąszczu nazw takich jak EIDE, ATAPI, Fast Wide SCSI i temu podobnych może się poczuć zagubiony nawet całkiem obyty fachowiec. Ze względu na niewygodę w posługiwaniu się tak abstrakcyjnym symbolem, żargonowo określano ten interfejs jako MFM lub RLL, od stosowanych w tych dyskach technik kodowania (np. technika RLL jest stosowana przez niektórych producentów do dziś). Interfejs ten dawno odszedł do lamusa wraz z dyskami o pojemnościach kilkunastu megabajtów, wymagającymi złożonej logiki zewnętrznego sterownika. Jego los podzielił również ESDI (Enhanced Small Device Interface) - pomimo niewątpliwych zalet okazał się zbyt kosztowny w stosunku do swojego konkurenta znanego jako IDE, który stał się pierwszym prawdziwym standardem. Konstrukcja komputera PC AT stworzyła możliwość zastosowania 16-bitowego interfejsu pomiędzy systemem a dyskiem oraz przeniesienia funkcji sterownika dysku do jego konstrukcji (dyski MFM-RLL były całkowicie głupie - całość ich obsługi obciążała wchodzący w skład jednostki centralnej komputera sterownik). Powstał interfejs znany pod nazwami IDE i ATA, który dał początek rodzinie powszechnie stosowanych obecnie interfejsów dyskowych. Integrated Drive Electronic (IDE) to określenie techniki realizacji nowego interfejsu, w którym całość logiki sterownika dyskowego przeniesiono do konstrukcji dysku, ATA zaś to AT Attachment - relacja nowego interfejsu do konstrukcji AT. Specyfikacja ATA została skodyfikowana przez ANSI jako oficjalny standard.
Dopełnieniem rodziny interfejsów IDE/ATA jest ATAPI (ATA Packet Interface), protokół komunikacyjny, umożliwiający komunikowanie się przez interfejs ATA z urządzeniami, nie będącymi dyskami stałymi - przede wszystkim z czytnikami CD-ROM. Początkowo protokół ten był obsługiwany przez ładowany do pamięci sterownik, później wbudowany w system operacyjny. Obecnie ATAPI jest wspierany również przez większość implementacji BIOS-u, dzięki czemu możliwe jest np. ładowanie systemu operacyjnego z CD-ROM-u.


Pudełko na dysk
Często niedocenianym przez użytkowników elementem dysku jest jego obudowa. Wirujące ze znacznymi prędkościami talerze muszą mieć solidną podstawę, a precyzyjne mechanizmy dobrą ochronę. Skuteczną do tego stopnia, że do wnętrza dysku nie może się dostać nawet pyłek kurzu. Odległość między głowicą unoszącą się na poduszce powietrznej a delikatną powierzchnią magnetyczną talerzy jest bowiem mikroskopijna, a wzajemne prędkości liniowe ogromne. Cokolwiek by się tam w czasie pracy dostało, spowodowałoby uszkodzenie głowic lub porysowanie nośnika.
Nie bez znaczenia jest też wpływ obudowy na odporność udarową. Producenci stosują często miękkie, gumowe powłoki na zewnątrz lub też elastyczne elementy wewnątrz. Dobre rozwiązania tego typu mogą znacznie poprawić odporność dysku na wstrząsy, jak i - nieco przy okazji - ograniczyć przenoszenie się wibracji dysku na obudowę komputera.
Mimo wysiłków konstruktorów dyski twarde nadal należą do urządzeń delikatnych i o ile wyłączone wytrzymają naprawdę sporo, o tyle silne wstrząsy podczas pracy szybko mogą doprowadzić do uszkodzeń. Skutkiem uderzenia głowic o wirujący z dużą prędkością talerz będzie w najlepszym przypadku powstanie grupy uszkodzonych sektorów. Jeśli jednak dojdzie do awarii głowic, to napęd trafi na śmietnik.